L'ambiente pullula di microbi. Suolo, acqua, superfici interne, i nostri stessi corpi:qualsiasi habitat che non sia stato rigorosamente sterilizzato è popolato da migliaia di specie di batteri interdipendenti, virus, e altri organismi microscopici.

Queste reti di microbiota sono la base biologica per ecosistemi su larga scala, e piccoli cambiamenti nella comunità microbica possono provocare cambiamenti sismici nell'ambiente.

Le nanoparticelle fanno parte di una lunga lista di sostanze che possono perturbarle, ma tirar fuori i loro effetti è un compito di Sisifo.

Queste comunità comprendono un numero impressionante di microbi, molti dei quali non possono essere coltivati ​​in laboratorio e, anche se potessero, le complesse interazioni nelle comunità microbiche del mondo reale non possono essere riprodotte da esperimenti con poche specie.

In un nuovo articolo sulla rivista Nanotecnologia della natura , i ricercatori della Virginia Tech dimostrano un modo per studiare l'effetto delle nanoparticelle su un particolare microbioma:guardare il DNA di un'intera comunità microbica piuttosto che le singole specie.

La strategia, chiamata analisi metagenomica, sequenzia il DNA di tutti i microbi in un campione contemporaneamente, fornendo una panoramica di tutti i geni che funzionano in quell'ambiente.

I risultati suggeriscono che si tratta di uno strumento utile, abbastanza sensibile da cogliere i cambiamenti che altri metodi potrebbero perdere, inclusi alcuni che potrebbero avere implicazioni per la salute pubblica.

A guidare la squadra c'era Amy Pruden, il professore di ingegneria W. Thomas Rice, e il professore di ingegneria civile e ambientale Peter Vikesland. Entrambi sono esperti di sistemi ambientali complessi; Pruden studia i ruoli delle comunità microbiche dinamiche e Vikesland attualmente si concentra sugli impatti della nanotecnologia sull'ambiente.

In questo studio, i ricercatori hanno esaminato le comunità microbiche dei fanghi attivi, che popolano gli impianti di trattamento delle acque reflue e abbattono gli inquinanti nei liquami.

"Stiamo usando il mondo reale, comunità complesse, quelli che sono importanti per l'ambiente perché stanno purificando la nostra acqua, " ha detto Pruden.

Le nanoparticelle sono sempre più comuni nelle acque reflue, lavato da un elenco crescente di prodotti che include di tutto, dai marshmallow alle attrezzature mediche.

Le nanoparticelle utilizzate nello studio erano sfere e bastoncini d'oro sintetizzati nel laboratorio di Catherine Murphy, professore di chimica all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. Il team di ricerca ha introdotto queste nanoparticelle in un reattore su scala di laboratorio che simula un impianto di trattamento delle acque reflue, e ha eseguito un'analisi metagenomica dopo sette giorni e un'altra dopo 56 giorni.

Si è scoperto che le nanoparticelle hanno cambiato la distribuzione dei geni nella comunità microbica dei fanghi attivi, e che le nanoparticelle sferiche avevano un'influenza maggiore di quelle a bastoncino.

Tra i geni colpiti c'erano quelli che aiutano i batteri infettivi a eludere gli antibiotici.

Gli impianti di trattamento delle acque reflue sono stati identificati come un serbatoio per i geni di resistenza agli antibiotici che alla fine trovano la loro strada nell'ambiente, dove presentano un rischio crescente per la salute pubblica.

Oltre otto settimane di esposizione a nanoparticelle d'oro, il numero totale di geni di resistenza agli antibiotici nel campione è rimasto stabile, ma la distribuzione di quei geni, cioè da quali antibiotici si difendono, sono cambiati. I ricercatori hanno anche notato cambiamenti nei geni che consentono ai batteri di resistere all'esposizione ai metalli, che normalmente sono citotossici.

Nel frattempo, l'identità di un rivestimento chimico nelle nanoparticelle non ha provocato gli stessi cambiamenti genetici.

"I risultati sorprendenti di questo studio - che la forma delle nanoparticelle può avere un impatto maggiore sulla struttura della comunità microbica rispetto alle proprietà superficiali impartite dai rivestimenti - ha implicazioni significative non solo per informare la progettazione più sicura dei nanomateriali e mitigare gli impatti indesiderati sull'ecosistema e sulla salute pubblica, ma anche per preparare impianti di trattamento delle acque reflue per un potenziale, una sfida crescente relativamente trascurata, " disse Pedro Alvarez, il George R. Brown Professor di Ingegneria Civile e Ambientale alla Rice University.

Alvarez studia le applicazioni ambientali e le implicazioni della nanotecnologia, ma non è stato coinvolto in questa ricerca.

Il rivestimento sulle nanoparticelle ha fatto, però, influenzano la loro distribuzione tra i fanghi e le acque reflue. Ciò può avere conseguenze ambientali:i fanghi in un impianto di trattamento delle acque reflue vengono riciclati e riutilizzati, mentre l'acqua viene reimmessa nell'ambiente.

Ma né il cambiamento di posizione delle nanoparticelle né i cambiamenti genetici dei microbi sembravano influenzare l'efficienza nell'abbattimento degli inquinanti. Ciò evidenzia la sensibilità di questo approccio metagenomico:che potrebbe essere in grado di cogliere sottili cambiamenti in una comunità prima che possano essere rilevati con misure più semplici, come le prestazioni di un impianto di trattamento delle acque reflue.

"È come un canarino microbico nella miniera di carbone, "Ha detto Vikesland.

Pruden e Vikesland sottolineano che è necessaria molta più ricerca per capire come i diversi tipi di nanoparticelle influenzino le comunità microbiche, e che non è chiaro se i cambiamenti che hanno visto nei geni di resistenza agli antibiotici siano quelli che potrebbero rappresentare un rischio per la salute pubblica.

"Stiamo collaborando con professori di informatica per portare questo approccio alla valutazione del rischio metagenomico al livello successivo, " ha detto Pruden. Stanno lavorando alla creazione di uno strumento che potrebbe aiutare a valutare quali cambiamenti genetici potrebbero essere problematici.

La conclusione chiave, dicono i ricercatori, è che questi risultati suggeriscono che l'analisi metagenomica può fornire preziose informazioni sugli effetti delle nanoparticelle su un complesso ecosistema microbico.

"La metagenomica sta dicendo che c'è un segnale, " Ha detto Vikesland. "In questo momento non sappiamo quali siano le implicazioni nel mondo reale di quel segnale, ma c'è chiaramente qualcosa lì."